El hueso como tejido

Si consideramos el hueso como un tejido observamos que está constituido por: células (osteoblastos y células de superficie en descanso, osteocitos y osteoclastos) y por la sustancia intercelular que se divide en sustancia orgánica (colágeno, glucoproteínas), y sustancia inorgánica (fosfato cálcico cristalizado).

OSTEOBLASTOS

Los osteoblastos son células encargadas de la producción de matriz ósea tanto en el hueso en crecimiento como en el maduro. Se localizan en el endostio  y se observan como células de forma cúbica o cilíndrica, con núcleo ovalado eucromático, aparato de golgi y retículo endoplásmico rugoso bien desarrollados, ademas de abundantes ribosomas libres.

El osteoblasto secreta colágena tipo I y proteínas de la matiz ósea, que forman la matriz ósea orgánica, no mineralizada, llamada osteoide. Las proteínas de la matriz ósea sintetizadas incluyen la osteocalcina y osteonectina, sialoproteías óseas I y II, osteopontina, trombospondina y fosfatasa alcalina.

OSTEOCITOS

Los osteocitos son células que han quedado atrapadas entre la matriz ósea, que ellas mismas han producido, y dejan espacios entre ellos y la matriz, las denominadas lagunas osteocíticas. Los osteocitos emiten múltiples prolongaciones, que se alojan en diminutos canales llamados canalículos, que hacen posible establecer uniones de intersticio con osteocitos contiguos y favorecer así el intercambio de electrólitos y moléculas de pequeño tamaño hacia la matriz.

OSTEOCLASTOS

Se forma por la fusión de varios precursores mononucleares y se caracteriza por su multinucleación,

su capacidad de erosionar el hueso (estimulada por la parathormona e inhibida por la calcitonina) y expresar receptores de calcitonina y fosfatasa ácida resistente al tartrato.

El osteoclasto se localiza en la superficie ósea y su membrana citoplasmática presenta un aspecto en cepillo en el área de contacto con el hueso.

Gracias al osteoclasto se produce el modelado óseo y asimismo se libera calcio al líquido

extracelular.

El osteoclasto reasorbe el hueso en dos fases: primero elimina el mineral bombeando hacia el hueso iones generados por la anhidrasa carbónica de su citoplasma y luego digiere la matriz orgánica mediante colagenasas ácidas.

El osteoclasto es una célula de muy corta vida y su final se produce por apoptosis.

SUSTANCIA INTERCELULAR

Se divide en sustancia orgánica (colágeno y glucoproteínas) y sustancia inorgánica (fosfato

cálcico cristalizado).

La sustancia intercelular orgánica se halla integrada por colágeno de tipo I ( 85- 90%) y una pequeña proporción de otras proteínas: glucoproteínas, proteínas implicadas en la adhesión celular, osteocalcina y factores de crecimiento (10-15 % ).

La molécula de colágeno está formada por tres cadenas espirales (cadenas a ) que se disponen en una triple hélice. Cada cadena se compone de una secuencia espiral tripeptídica (en general glicina, prolina e hidroxiprolina).

El componente inorgánico de la matriz ósea está constituido por fosfato cálcico cristalizado

(hidroxiapatita). La sustancia intercelular ósea sin hidroxiapatita se denomina osteoide.

La matriz ósea es la responsable de las propiedades biomecánicas del hueso. El colágeno le proporciona flexibilidad y resistencia a la tensión, mientras que las sales minerale le dan dureza, rigidez y resistencia a la compresión.

El hueso como estructura

Está compuesto de: hueso cortical, hueso esponjoso, periostio y endostio, vasos sanguíneos, nervios y médula ósea e inserciones musculares:

El hueso posee propiedades mecánicas características y pueden ser estudiadas

tanto desde un punto de vista macroscópico com o microscópico:

1. Forma macroscópica. La forma de los huesos refleja una adaptación a cargas estáticas y dinámicas, así como a su función de protección y soporte de órganos adyacentes (huesos planos).

Los huesos pueden clasificarse, en dos tipos; tubulares (fémur, húmero, tibia, etc.) y no tubulares. Éstos pueden dividirse a su vez en huesos planos (escápula, cráneo, etc.) y huesos cubiformes (vértebras, huesos del carpo, huesos del tarso).

2. Forma microscópica. Depende de la organización del colágeno, de la organización de la hidroxiapatita y de la organización de los vasos sanguíneos.

A pesar de las diferencias en la forma macroscópica, el hueso presenta una configuración estructural microscópica semejante, con independencia de que sea cortical o esponjoso:

1. Configuración laminar (hueso maduro).

2. Configuración no laminar -plexiforme- o en encaje (hueso inmaduro).

En el esqueleto adulto ha desaparecido por completo el hueso inmaduro, pero puede reaparecer en casos de fracturas, tumores óseos o en cualquier situación de aumento en la producción de matriz ósea.

HUESO CORTICAL MADURO

El hueso cortical es el tejido óseo laminar de textura densa que rodea el hueso esponjoso.

Su grosor es variable, pero en cualquier caso está formado por un complicado sistema de canales que en su mayoría siguen un curso paralelo al eje mayor del hueso (canales longitudinales) rodeados por un cilindro de láminas concéntricas (fibras de colágeno calcificadas) entre las cuales se encuentran los osteocitos.

Existen otros canales (canales de Volkmann) orientados perpendicularmente al eje longitudinal del hueso que sirven de conexión entre los canales longitudinales.

La estructura cilindrica compuesta por un canal central que contiene vasos y nervios  y está rodeada de láminas concéntricas de sustancia intercelular y osteocitos, recibe el nombre de sistema de Havers u osteona.

Entre un canal de Havers y otro puede existir una porción de hueso laminar que no posea canal central y cuyas laminillas de colágeno calcificado no estén ordenadas de forma concéntrica. A esta porción del hueso cortical se la denomina hueso intersticial.

El análisis tridimensional del hueso intersticial ha mostrado que estas láminas intersticiales están en continuidad con las láminas concéntricas periféricas del sistema de Havers y que, por tanto, pueden ser consideradas como una continuación de éste.

HUESO ESPONJOSO

El hueso esponjoso corresponde a la región porosa que contiene a la cavidad medular; está conformado por trabéculas óseas finas y ramificadas entre las cuales se encuentra localizada la médula ósea, ya sea la conformada por tejido hematopoyético (médula ósea roja) o por tejido adiposo (médula ósea amarilla). El hueso esponjoso, a diferencia del hueso compacto, carece de sistemas haversianos, aunque existen láminas óseas dispuestas de manera irregular entre las cuales se encuentran alojados los osteocitos que han quedado atrapados en la matriz ósea.

Además de sus propiedades mecánicas, el hueso posee tres características (mecanismos adaptativos) que lo hacen peculiar y distinto a los demás tejidos, y le permiten una respuesta dinámica frente a condiciones cambiantes. Estas características son:

1. El hueso no es un tejido que cuando llega a su madurez permanece inerte. Al contrario, durante toda su vida está en constante cambio a diferencia de los demás tejidos. En otras palabras, existe un modelado óseo fisiológico constante, que será comentado más adelante, que puede alterarse por múltiples factores, entre ellos los factores mecánicos.

2. El hueso posee un potencial de regeneración mayor que cualquier otro tejido.

3. El hueso posee una habilidad especial para mineralizarse, a diferencia de otros tejidos que están constituidos por materiales bioquímicos similares.

Estas tres características influyen además de una manera específica en la estructura ósea y en sus propiedades mecánicas.

Propiedades mecánicas del hueso

El esqueleto humano constituye el elemento pasivo de nuestro aparato locomotor de modo que las fuerzas son transmitidas de un hueso a otro a través de las articulaciones, permitiendo a nuestro organismo una gran diversidad de posturas y movimientos.
Para poder ejercer su función el hueso tiene tres propiedades mecánicas fundamentales que son la resistencia, la rigidez y elasticidad.

El hueso cortical y el hueso esponjoso presentan una estructura diferente lo cual condiciona, a un comportamiento mecánico también distinto. El hueso cortical es más rígido que el esponjoso y puede soportar más carga pero menos deformación que este último.

El hueso cortical se fractura cuando su deformación excede el 2 % de su longitud inicial mientras que el hueso esponjoso soporta hasta el 7 % de deformación. Asimismo, debido a su estructura porosa, el hueso esponjoso parece tener mayor capacidad de almacenamiento energético.

El hueso es un material anisotrópico y, por tanto, se comporta desde un punto de vista mecánico de forma diferente en función de la dirección en que se aplique una fuerza.
Es más resistente a la compresión en sentido longitudinal que en sentido radial o tangencial.

Se ha podido comprobar también que el hueso seco es más resistente que el hueso hidratado. Este fenómeno depende de la velocidad de aplicación de la carga: si ésta se aplica en forma de impacto, el hueso hidratado se vuelve mucho más resistente, y presenta mayor capacidad de absorción energética.
Este hecho pone en evidencia otra característica mecánica del hueso que es su viscoelasticidad.

Fuerzas a que puede ser sometido un hueso

Un hueso puede ser sometido a fuerzas de compresión, de tracción , de cizallamiento, de flexión y de torsión.

FUERZAS DE COMPRESIÓN

Dos fuerzas iguales y opuestas se aplican sobre la superficie del hueso. Como consecuencia, éste tiende a acortarse y ensancharse. Las fuerzas máximas tienen lugar en un plano perpendicular al de la línea de carga.

En la práctica clinica, un ejemplo característico de fractura por este mecanismo son los aplastamientos vertebrales.

FUERZAS DE TRACCIÓN

En este caso, dos fuerzas iguales se aplican en sentido contrario sobre el hueso. Como resultado el hueso tiene tendencia a alargarse y a hacerse m ás estrecho. las fuerzas m áxim as tienen lugar en un plano perpendicular a la línea de carga.

Un ejemplo de fractura por este mecanismo es el arrancamiento de la estiloides del quinto metatarsiano, por tracción del tendón del peroneo lateral corto.

FUERZAS DE CILLAZAMIENTO

La fuerza se aplica perpendicular a la superficie del hueso y las fuerzas máximas tienen lugar en un plano paralelo a la dirección de aplicación de la fuerza. El hueso cortical soporta mejor la compresión que la tracción, y la tracción mejor que el cizallamiento. 

FUERZAS DE FLEXIÓN

Las fuerzas aplicadas sobre el hueso hacen que éste se doble sobre su eje mayor, y aparecen en el interior del hueso fuerzas de compresión en el lado de aplicación de la fuerza y fuerzas de tracción en el lado opuesto. Estas fuerzas son mayores cuanto más alejadas están del eje neutro del hueso. Ejemplo de este tipo de fractura serían las del antebrazo al caer y poner la mano en el suelo.

FUERZAS DE TORSIÓN

En este caso, la fuerza aplicada sobre el hueso tiende a hacerlo rotar alrededor de su eje.

Aparecen fuerzas de cizallamiento que se distribuyen a lo largo de toda la estructura, siendo más intensas, cuanto más alejadas están del eje neutro del hueso.

Ejemplo de este tipo de fuerzas sobre el hueso es la fractura espiroidea de tibia, que se produce cuando se esquía al caer rotando sobre el pie fijo anclado por el esquí.

Fátiga ósea

Un hueso se fractura cuando la carga aplicada sobre él excede su resistencia, pero también puede ser una fractura de fatiga que es típicamente producida por pocas repeticiones de una carga alta, o por varias repeticiones de una carga relativamente normal.

Por otra parte, hay que recordar que el hueso humano es una estructura viva que está constantemente sometida a un proceso de formación-resorción. Por tanto, para que se produzca este tipo de fractura es importante que no sólo exista un número elevado de repeticiones de carga, sino que su frecuencia de aplicación sea elevada, para no dar tiempo a que el hueso se recupere.

Factores que influyen en las propiedades mecánicas del hueso

TAMAÑO Y FORMA DEL HUESO

La resistencia del hueso, tanto a la compresión como a la tracción, está influenciada por su tamaño, forma (distribución del tejido óseo alrededor del eje neutro del hueso) y por su longitud. 

Cuanto mayor es el tamaño del hueso, mayor es su resistencia.

Cuanto mayor cantidad de tejido óseo existe alrededor del eje neutro, más resistente es a la flexión.

Cuanto mayor es la longitud del hueso, mayor es el momento flector de la fuerza aplicada sobre él.

Por ello, los huesos tubulares largos del cuerpo son los que principalmente se fracturan por este mecanismo.

La resistencia del hueso a la torsión también está determinada por el tamaño y la forma del hueso. Cuanto más grande es el hueso y cuanto más alejada del eje neutro está situada la masa ósea, más resistente es. Por ello, las tibias sometidas a una fuerza de torsión se fracturan antes por el tercio distal, de menor diámetro, que por el proximal.

COMPOSICIÓN ÓSEA

Diversas situaciones fisiológicas o patológicas modifican la composición del hueso. Entre ellas se encuentra la obesidad, la menopausia, el envejecimiento, la enfermedad de Paget, osteopetrosis, etc. Al modificarse la estructura del hueso, se modifican sus propiedades mecánicas.

De todas las situaciones la más frecuente es el envejecimiento, en el que se produce una pérdida de masa ósea. Esta pérdida afecta tanto el hueso cortical que pierde diámetro y se adelgaza, como el esponjoso en el que disminuye el número de trabéculas, que a su vez se hacen más delgadas.  Esta pérdida de masa ósea afecta más la resistencia del hueso esponjoso que la del hueso cortical.

Esta pérdida de la resistencia en el hueso del anciano justifica la frecuencia de fracturas en él.

ACTIVIDAD MUSCULAR

La contracción muscular tiene como función regularizar las cargas que son transmitidas por el hueso, neutralizando las fuerzas de tracción y haciendo trabajar el hueso a compresión.

Los músculos tienen, una función protectora del hueso. Cuando falla la contracción muscular, por fatiga o por parálisis, se favorecen las lesiones óseas. De ahí la mayor incidencia de fracturas en los huesos poliomielíticos o las fracturas por sobrecarga en los deportistas cuando éstos alcanzan estados de fatiga importantes.

Remodelación ósea

El hueso vivo está sometido constantemente a un proceso continuo de formación-resorción.

Este proceso tiene lugar de forma equilibrada bajo unas condiciones mecánicas que podríamos llamar “ideales”. Si las solicitaciones mecánicas reales son superiores o inferiores a las ideales, aumenta o disminuye la formación ósea, hasta un techo máximo en que aparece una resorción patológica de hueso.

Esto explica hechos tan frecuentes en la práctica diaria como que el tamaño del hueso de una pierna paralizada sea inferior al de una pierna sana, que después de la inmovilización de una fractura el hueso pierda masa ósea, o que el húmero de un tenista esté más desarrollado en la extremidad que soporta la raqueta que en la contralateral.

En una persona joven, el desarrollo óseo excede su resorcion y por lo tanto se promueve el crecimiento del hueso; en una persona adulta, cuando ya se han cerrado los discos epifisiarios, tiene lugar un equilibrio entre el desarrollo y la resorcion de tal manera que es posible mantener un grosor estable en los huesos.

El hueso está sometido constantemente a fuerzas de flexión, que generan fuerzas de compresión en un lado de éste y fuerzas de tracción en el lado opuesto. Estas fuerzas tienden a equilibrarse por la acción muscular. Si se rompe este equilibrio, en el lado sometido a compresión aparece una mayor formación de hueso, mientras que en el lado sometido a tracción existe una mayor resorción.